16. 4. 2 Компенсационные стабилизаторы напряжения
Большинство электронных узлов электротехнических устройств для своего нормального функционирования требуют стабильного напряжения и тока при изменении напряжения питающей промышленной (или иной) сети, при изменении тока нагрузки, при изменении температуры окружающей среды и при действии других возмущающих факторов. Для этих целей используют компенсационные стабилизаторы напряжения.
Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой систему автоматического регулирования, в которой благодаря наличию отрицательной обратной связи (ОС) обеспечивается постоянство напряжения и тока на нагрузочном устройстве с высокой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы лишены недостатков, свойственных параметрическим стабилизаторам, что достигается усложнением их схем.
По принципу работы компенсационные стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы непрерывного и импульсного действия. Их схемы выполняются на полупроводниковых приборах, а сами стабилизаторы в последнее время практически все представляются в виде интегральных микросхем. При этом стабилизаторы непрерывного действия часто называют линейными стабилизаторами напряжения, а стабилизаторы импульсного действия- импульсными стабилизаторами напряжения.
16.4.2.1. Линейный стабилизатор напряжения (лсн)
Стабилизатор напряжения, регулирующий элемент (РЭ) которого работает в линейном режиме, называется линейным стабилизатором. В общем ЛСН – это замкнутая схема автоматического регулирования, в которой напряжение на нагрузке поддерживается неизменным за счет изменения падения напряжения на РЭ.
Рассмотрим структурную схему ЛСН (рис. 208)
Рис. 208
Как видно на рис. 208 регулирующий элемент – РЭ включен последовательно с сопротивлением нагрузки Н (электронная аппаратура) – это силовая электрическая цепь, через которую протекает ток нагрузки. В качестве РЭ обычно используют мощные биполярные или полевые транзисторы.
На вход РЭ подается напряжение Uп от источника питания постоянного тока, а на его выходе, т.е. на нагрузке снимается напряжение Uн.
Ниже на схеме (выделена штриховыми линиями) показана обратная связь (ОС), которая включает в себя:ИЭ – измерительный элемент (на резистивных элементах) – датчик напряжения, он включается параллельно нагрузке; ИОН – источник опорного напряжения Uоп (параметрический стабилизатор); УПТ – усилитель постоянного тока, доводит сигнал до величины Uу, достаточной для управления РУ; Kд – коэффициент передачи делителя; – сигнал ошибки или сигнал рассогласования.
На рис. 209 изображена схема компенсационного стабилизатора напряжения линейного типа, выполненная в соответствии со структурной схемой, показанной на рис. 208.
Рис. 209
В данной схеме (рис. 209) регулирующим элементом является мощный транзистор VT1;R3,R4,R5 – измерительный элемент;VD1,R2 – источник опорного напряжения;R1,VT2 – усилитель постоянного тока (VT2- маломощный).
Рассмотрим принцип действия схемы. Пусть напряжение питания увеличивается, а ток на нагрузке и температура окружающей среды остаются неизменными. При этом увеличится и напряжение на нагрузке Uн, отклоняясь от номинального значения. В этом случае уменьшится напряжение и на делителеR3,R4, R5, в том числе на его нижнем плечеUR. Напряжение на нижнем плече делителя равноUR =КдUн, гдеKд=R/( R' + R). НапряжениеUR, являющееся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжениемUоп, снимаемым со стабилитрона параметрического стабилизатора. Как видно на схеме рис. 209 сравнивающим устройством является вход транзистораVT2 (его электроды – эмиттер и база). Так как опорное напряжение остается неизменным, то напряжение между базой и эмиттером транзистораVT2 увеличивается, так какUбэ =UR –Uоп = КдUн –Uоп. Следовательно, коллекторный токiку транзистора VT2 увеличивается, что приводит к уменьшению тока iбр регулирующего транзистора VT1(или к увеличению напряжения между базой и коллектором VT1, что равносильно увеличению его сопротивления коллектор - эмиттер). Это следует из уравнения iбр = iR1 – iку, составленного по первому закону Кирхгофа для узла (рис. 209). Вследствие этого падение напряжения Uкр на транзисторе VT1 возрастает, благодаря чему напряжение на нагрузке Uн = Uп – Uкр приобретает значение, близкое к номинальному с определенной степени точностью.
Анализируя аналогичным образом работу схемы стабилизатора можно убедиться, что при изменении других возмущающих факторов - понижении напряжения Uп, повышении и понижении тока нагрузки и др., напряжение на нагрузке будет оставаться неизменным с точностью, заданной потребителем (нагрузкой).